关于空中交通管制自动化中的冲突概率分析

朱薛文

摘 要：随着我国社会经济的不断发展，我国空中交通的流量也在不断地增加，空中交通的飞行情况也更加的复杂，所以在这种大背景下如果仅依靠传统的依靠管制人员进行估计、分析和解决在空中飞行时可能出现的冲突的工作方式则很难有效的保证飞机的飞行安全，所以这就需要我们在空管系统中跟随时代的发展潮流借助先进的信息技术来为管制人员提供冲突探测的辅助支持来更好的预估机群的飞行状况，使得管制员能够及时的发现机群在飞行中存在的潜在冲突，从而有效的解决冲突和保证飞行量的均衡。

关键词：空中交通；管制自动化；冲突概率

空中交通自动化管制系统将是空中交通发展的必然产物，它在未来必将成为空中交通管制的有效手段。但是，在空中交通管制自动化系统中，人在系统中处于中心位置，空中交通自动化管制系统强调人的中心地位及其跟其他各个要素间的彼此关系。随着时代的进步和社会的发展，空中交通将会变得非常的拥挤和繁忙，现有的空中交通管制系统将无法对未来空中交通流量进行有序的管制。所以当前这种环境下为有效的改善空中交通的安全性和效率，对飞行冲突概率估计的方法进行了研究。从理论上将冲突概率解析算法从二维推广到三维，并推导出一种快速求解三维飞行冲突概率的近似解析算法，使之适用于终端区的复杂情况。

一、空中交通管制自动化的基本概述

空中交通管制是保证飞机飞行安全和提高飞行效率的重要手段。目前，我国空中交通管制己经逐渐从由雷达监视的程序管制向雷达管制过渡。实施雷达管制以后，空中交通流量将会大幅度提高，对空中交通管制系统的要求也随之提高。为进一步保障空管的安全性，民航华北空管局和清华大学国家863C/MIS工程研究中心正着手联合研制开发空中交通管制指挥监测系统（ATCCMs）。

空中交通管制自动化策略尽管符合霍金斯的SHEL模型（软 件 -software、硬 件 -hareware、环 境 -environment、人-liveware）的 基 本 特 征，但 对 软 件 -software、硬 件 -hareware、环境 -environment、人 -liveware这 四 个 模 型 要素之间的界面进行了变更。空中交通管制自动化系统将致力于匹配好这四个要素间的界面，使各要素的效能发挥到最大。因此，该系统一方面将对空中交通管制岗位进行重新设置，给每个要素赋予新的职责；一方面将加强空中交通管制员素质培养，使管制员们能及时快速地适应空中交通管制自动化系统的操作技术和应用技能。

未来空中交通管制自动化系统将以空中交通管制员为中心，空中交通管制员对整个空中交通进行总体的管理和控制，空中交 通 管 制 员 之 间、管 制 员 与 飞 行 员 之 间 将 通 过CPDLC（直接链路通讯）进行彼此的联系，从而替代了过去传统的进行话音通信的方式，提供了指配指配速度、通信频率、航路偏离警告、改变航路、指配高度、情报、放行、气象等空中交管业务。同时在空中交通管制员的管制席位上，将能清楚地显示航空器运行的航迹，这些数据资料将通过ATN数据链在航空器、飞机和管制单位即 ATS单位之间彼此同意下进行通信，从而让管制员们或者管制单位获得各航空器（如飞机）ADS-C（合同式自动监视）四维信息。再者，飞机等航空器的速度、高度、位置、呼号以及其他参数将ADSB（广播室自动监视）进行自动广播而被管制员所获得。最后，空中交通管制员还将利用地 - 地监视应用系统对飞机广播信息进行监视，并通过多点定位系统来获取监视数据，从而提升管制员或者空中交通自动化管制中的监视效率。还有，空中交通管制自动化系统中，自动放行席位的设置，主要是利用 Gate Link（即停机位数据链）进行信息数据的传输，以实现处在停机位上的飞机跟地面管理系统的计算机之间的数据自动连接和传输，最终为管制员向各飞机机组人员提供气象、情报、放行指示等信号。

二、空中交通管制自动化中的冲突概率分析

1.二维冲突概率分析

因考虑到雷达测量、高空气象条件、飞行控制等诸多随机因素对飞机飞行状态的影响较大，因此在冲突探测分析中，宜采用随机建模方式。Erzberger和Paielli提出的二维（水平）冲突概率的解析算法[2，3]，其思路为： （1）对预估航迹的误差概率建模； （2）对两架飞机的相对运动进行分析，计算出两架飞机的联合协方差矩阵，通过对联合概率密度函数在扩展冲突区域中的积分就可以得到冲突概率值； （3）对原有的参考坐标系进行坐标变换，选择适当的变换矩阵，将联合误差椭圆变为单位圆； （4）对变换后的扩展冲突区域进行分析、旋转，从而求出冲突概率的解析解。二维算法是针对飞行在同一高度层的飞机之间的冲突概率分析，这对在巡航区飞行的大部分飞机是比较适合的。但在终端区及区调靠近终端区的区域，由于相当一部分飞机要处于上升或下降的状态，飞机之间的相对运动方向将不会都在同一平面内。因此，需要对上述的二维算法进行推广，使之能够适用于三维的情况。

2.三维冲突概率分析

三维和二维算法的主要区别在于： （1）要考虑垂直方向的位置误差，对于处于上升或下降阶段的飞机还要进一步考虑其垂直方向速度的误差； （2）要考虑垂直方向的相对速度，以及它在变换、旋转中对联合误差和扩展冲突区域的影响。

3.算法检验

算法检验分为两部分：一是解析算法的精度，包括对扩展冲突区域的截面的近似误差；二是算法的实时性。可以用Monte-Carlo仿真方法来检验算法的准确性。为了比较全面地检验三维算法的准确性，需要对最小水平间隔r、预估时间t、水平航向夹角T、到达水平最小间隔时的垂直间隔h、飞机飞行状态等因素的不同组合的场景下的冲突概率进行计算、比较。

三、结语

总而言之，空中交通管制自动化系统是空中交通时代发展下的必然产物，也必将成为空中交通管制的有效手段。此系统的构建和运行将受到人之因素的影响，因此必须设计积极有效的措施予以应对，必须合理设置岗位，使人跟自动化系統相匹配；同时也应该合理设计自动化系统，使各机器设备符合人的生理和心理能力。只有从两方面都进行突破，才能有效促进空中交通管制自动化的发展，实现安全、高效、有序的空中交通秩序。

参考文献：

[1]高扬，朱艳妮. 基于HEART方法的管制员调配飞行冲突的人为差错概率研究[J]. 安全与环境工程，2013，04：97-101.

[2]苏志刚，眭聪聪，吴仁彪. 基于概率模型的ATC系统冲突目标生成算法[J]. 信号处理，2011，10：1520-1524.

[3]隋东，韩明良，董襄宁，王世锦. 空中交通管制员认知可靠性研究[J]. 南京航空航天大学学报，2007，03：384-387.endprint